一種對甜菜制糖清汁提純濃縮的方法以及采用該方法的制糖方法
技術領域 [0001] 本發明涉及一種膜分離技術應用于甜菜制糖清汁提純濃縮的方法以及采用該方 法的制糖方法，屬于甜菜制糖加工技術領域。 背景技術 [0002] 糖用甜菜是制糖工業的主要原料之一，其塊根中含糖量較高。中國甜菜主要種植 在北炜40°以北，包括西北、華北和東北三大産區。其中，西北産區因具有日照長的特點，甜 菜單産和含糖量均較高。 [0003] 甜菜制糖過程主要包括洗菜、切絲、提汁、澄清、蒸發濃縮、蒸發結晶、分離糖蜜、白 砂糖裝包等工序。因甜菜滲出汁中的非糖成分（包括懸浮顆粒、色素物質、鹽類物質、還原 糖、果膠、甜菜堿等）會影響糖品質量，并增加廢蜜量和糖分損失，因此在進行糖汁濃縮和 結晶之前，需要對滲出汁進行澄清，除去一部分非糖雜質，以得到更純淨的糖汁。甜菜制糖 澄清工藝的目的是将非糖雜質盡可能多的去除，以使糖汁純度提高、粘度和色值降低，為煮 糖（結晶）制備優質的原料糖漿。糖汁澄清工序是制糖過程中*重要的工序，澄清效果的 好壞直接決定白砂糖的品質和得率。 [0004] 糖汁澄清通過加入澄清劑來實現，常用的澄清劑有生石灰（CaO)、二氧化碳和二氧 化硫。按照所用主要澄清劑的不同，糖汁澄清工藝有碳酸法、亞硫酸法和石灰法三類。目前， 甜菜糖廠通常采用碳酸法對糖汁進行澄清。 [0005] 如圖1所示，碳酸法澄清工藝首先對滲出汁進行預加灰（以石灰乳形式加入，向滲 出汁中加入對甜菜重量0. 12-0. 24Ca0%的石灰，使pH值達到8. 5-11左右），以中和酸度并 促進膠體（蛋白質、果膠質等）凝聚，同時沉澱浸出汁中的酸根離子（包括草酸根、酒石酸 根、檸檬酸根等），*大限度地凝聚和沉澱非糖成分（主要是膠體等高分子物質）。随後調 整溫度至80°C_85°C，再加入相對于甜菜重量2-3Ca0%的石灰乳，即主加灰。主加灰使堿度 達到1. 6-2. 4CaO% /100ml糖汁），作用時間是15-20分鐘，其作用是：1)使非糖成分在強 堿高溫作用下分解，提高糖汁的熱穩定性；2)為後續碳酸飽充時産生一定數量的碳酸鈣沉 澱而提供足夠的氫氧化鈣。經過上述過程之後，得到主灰汁。 [0006] 該主灰汁經加熱到90°C後，進行C02飽充（本文中，有時也簡稱為"碳酸飽充"）。 第一次充入二氧化碳氣（本發明中，也簡稱為"一碳飽充"）至pH值達到10. 8-11.0左右， 使氫氧化鈣生成不溶解的碳酸鈣，從而除去石灰和石灰鹽。新生成的碳酸鈣對非糖成分具 有良好的吸附作用，與飽充至watechliuhede堿度下凝聚的非糖成分結成顆粒沉澱，并且具有助濾的 作用。經闆框過濾除去非糖成分沉澱（濾泥）後，将糖漿加熱到95°C以上，并進行第二次碳 酸飽充（本發明中，也簡稱為"二碳飽充"）至pH值9. 0-9. 2左右，以使糖汁中剩餘的氫氧 化鈣和鈣鹽量降至*低限度。糖漿中非糖成分含量的降低有助于在蒸發結晶過程中結晶出 更多的蔗糖，而且能降低廢蜜量，減少工藝糖分損失。二碳飽充完成後，經闆框或其他過濾 方式過濾後得到的糖汁即為清汁。在本發明中，所述清汁是指如上所述的雙碳酸飽充（本 文中，有時進一步簡稱為"雙碳飽充"）和過濾之後、硫漂之前的糖汁。通過之前的加灰、加 熱和雙碳飽充工序，甜菜滲出汁中的多種非糖雜質（包括懸浮顆粒、色素物質、還原糖、甜 菜堿、果膠等）得到了有效去除。 [0007] 如上所述的雙碳飽充澄清法通常能夠除去滲出汁中30wt% -45wt%的非糖成分， 盡管澄清效率仍然有限，但通過非糖成分的去除，已可滿足結晶工序對糖汁的要求。雙碳飽 充法的簡明工藝流程如圖1所示。 [0008] 通過上述工藝制備得到的甜菜制糖清汁的典型成分如表1所示，由表1可知，經雙 碳飽充澄清和過濾工藝後，清汁中的水分和主要非糖成分（包括無機鹽、含氮物質、還原糖 等）的分子量均明顯低于蔗糖的分子量。另外，清汁經過濾後，其不溶沉澱物、懸浮物等指 标已經達到納濾膜的進料标準，因此無需增加預處理工序。 [0009] 表1甜菜制糖清汁典型成分表 [0010] [0011] 在目前的傳統制糖工藝中，将如上得到的清汁進行硫漂脫色後，即可進行後續的 蒸發濃縮和結晶（如圖3第一列所示），*終得到糖産品。 [0012] 然而，上述傳統制糖工藝的缺點在于：清汁中的錘度（Brix)、糖度以及純度均不 夠高，後續蒸發負荷重、能耗高、制糖效率低，因此，有必要對這一傳統工藝進行改進。 發明内容 [0013] 本發明提供一種采用納濾技術對甜菜制糖清汁進行提純和濃縮的方法，所述方法 能耗低，得到的糖産品品質高。 [0014] 本發明所提供的采用納濾技術對甜菜制糖清汁進行提純和濃縮的方法，包括如下 步驟： [0015] (1)獲得适于納濾的甜菜制糖清汁； [0016] (2)将所述清汁溫度從90°C左右降低至不低于30°C; [0017] (3)使用截留分子量220Da-500Da的納濾膜，在10Bar-40Bar壓力下對所述清汁進 行過濾濃縮，得到濃縮提純後的甜菜制糖清汁。 [0018] 本發明還涉及一種制糖方法，所述方法包括： [0019] (1)獲得适于納濾的甜菜制糖清汁； [0020] (2)将所述清汁的溫度從90°C左右降低至不低于30°C; [0021] (3)使用截留分子量220Da-500Da的納濾膜，在10Bar-40Bar壓力下對所述清汁進 行過濾濃縮，得到濃縮提純後的甜菜制糖清汁； [0022] (4)将得到的所述甜菜制糖清汁進行硫漂脫色，蒸發濃縮，結晶，得到糖産品。 [0023] 本發明提供的甜菜制糖清汁提純濃縮方法對傳統工藝改變較小，所需設備改造工 作較小，方法簡單可靠、操作方便、無環境污染。與納濾處理前的甜菜制糖清汁相比，得到的 濃縮清汁錘度（Brix)提高4Brix-7Brix，糖度提高4wt% -7wt%，同時，純度提高1-2個百 分點。同時，錘度的提高可使蒸發負荷降低百分比達30% -50%。 附圖說明 [0024] 圖1表示雙碳飽充澄清法的工藝流程圖。 [0025]圖2表示甜菜制糖清汁膜分離操作的一種實施方式的示意圖。 [0026] 圖3表示相比于傳統提純濃縮制糖工藝，本發明的清汁納濾提純濃縮制糖新工藝 示意圖（上列為傳統提純濃縮工藝，下列為本發明的清汁納濾提純濃縮制糖新工藝）。 具體實施方式 [0027] 本發明所提供的一種對甜菜制糖清汁進行提純濃縮的方法，包括如下步驟： [0028] (1)獲得适于納濾的甜菜制糖清汁； [0029] (2)将所述清汁溫度從90°C左右降低至不低于30°C; [0030] (3)使用截留分子量220Da-500Da的納濾膜，在10Bar-40Bar壓力下對所述清汁進 行過濾濃縮，得到濃縮提純後的甜菜制糖清汁。 [0031] 本發明中，所述的"納濾"為一種膜分離技術，其截留分子量通常在150-1000Da左 右，膜的孔徑為幾個納米，因此，稱為"納濾"。 [0032] 其中，步驟（1)中，所述适于納濾的甜菜制糖清汁中，鹿糖占10wt% -15wt%，水分 占84wt% -89wt%，蔗糖純度為85wt% -92wt% (其中，蔗糖純度指清汁中蔗糖成分占可溶 固形物的重量比）。 [0033] 如上文所述，經雙碳飽充澄清和過濾工藝後，清汁中的水分和主要非糖成分（包 括無機鹽、含氮物質、還原糖）的分子量均明顯低于蔗糖的分子量。因此，清汁體系的物料 特性适于采用本發明的納濾技術對其進行提純濃縮。雖然，雙碳飽充澄清法為現有技術，但 為了制備得到适于納濾的甜菜制糖清汁，使用雙碳飽充澄清法是優選的步驟。經過雙碳飽 充澄清法處理後獲得的甜菜制糖清汁是特别适于納濾的甜菜制糖清汁，因而是特别優選的 獲得本發明的甜菜制糖清汁的途徑。 [0034] 步驟（2)中，優選将所述清汁溫度從90°C左右降低至不低于30°C，優選降低至 40°C_45°C。一方面，從工藝角度來說，為避免造成不必要的熱損失，将溫度降至過低并不優 選。另一方面，從納濾膜的過濾特性和穩定性的角度考慮，适合的溫度範圍是40°C-90°C、 優選 40°C-60°C，特别優選 40°C-45°C。 [0035] 步驟（3)中，在納濾提純濃縮處理時，需要使用截留分子量與蔗糖分子量相接近 的納濾膜分離技術，在截留蔗糖的同時，使水分子和小分子非糖成分雜質透過納濾膜，從 而實現清汁的提純和濃縮。若選擇的截留分子量過大，則會造成更多糖分透過納濾膜進 入到透過水中，使糖分損失增大；若截留分子量過小，則會降低非糖分的濾出比率，降低 提純效果。基于上述考慮，所述納濾膜的截留分子量優選為220Da-500Da，進一步優選為 350Da-450Da，進一步優選 400Da。 [0036] 對納濾壓力，可以使用适合于納濾工藝的通常的壓力範圍，優選為10Bar-40Bar 之間。若壓力過大，連接管件受力過大，會對設備造成損害。所述過濾壓力優選為 10Bar_40Bar，進一步優選為 20Bar。 [0037]圖2表示甜菜制糖清汁膜分離操作的一種實施方式的示意圖。本方法采用納濾技 術對清汁進行處理，一方面可将大量水分透過，從而實現清汁的預濃縮；另一方面，則可通 過截留分子量的選擇，使分子量比蔗糖小的小分子雜質（如還原糖、甜菜堿等）選擇性透 過，從而實現對清汁的提純。 [0038] 所述納濾膜為有機納濾膜或者陶瓷納濾膜，但從降低成本和實際過濾效果的角度 考慮，優選卷式有機納濾膜或管式有機納濾膜。 [0039] 在本發明的一個優選實施方式中，使用截留分子量400Da的卷式有機納濾膜進行 納濾。 [0040] 步驟（3)中，所得截留液完全回流至清汁儲罐，納濾透過液中因含有小分子非糖 雜質，并且蔗糖純度較低（35wt%以下），因此可收集後用作甜菜清洗用水，也可作為廢水 直接排放。考慮到納濾透過液中含有小分子非糖雜質，如果循環利用于甜菜清洗後的制糖 工藝中，則後續仍然需要去除這些小分子非糖雜質，因此，并不适合進行這樣的循環利用。 [0041 ] 納濾過程中，膜過濾通量會逐漸下降。為了能重複使用納濾膜，優選對納濾膜進行 清洗。具體而言，當膜過濾通量下降至初始通量的70%左右時，可以停止過濾，對膜進行清 洗。可以采用現有技術中常用的膜清洗流程進行所述膜清洗。當清洗後的膜純水透過通量 達到首次使用時純水透過通量的80%以上時，即認為清洗完成。 [0042] 為了保證濃縮提純過程連續進行，本發明的方法優選采用多組納濾膜設備進行過 濾，以便膜設備的輪流清洗。 [0043] 清汁經納濾提純濃縮後，所得截留液直接進入後續稀汁硫漂和蒸發結晶。 [0044] 本發明還涉及一種制糖方法，所述方法包括： [0045] (1)獲得适于納濾的甜菜制糖清汁； [0046] (2)将所述清汁的溫度從90°C左右降低至不低于30°C; [0047] (3)使用截留分子量220Da_500Da的納濾膜，在10Bar_40Bar壓力下對所述清汁進 行過濾濃縮，得到濃縮提純後的甜菜制糖清汁； [0048] (4)将得到的所述甜菜制糖清汁進行硫漂脫色，蒸發濃縮，結晶，得到糖産品。 [0049] 由甜菜制糖的整體工藝而言，傳統制糖工藝流程與改進後的制糖新工藝流程對比 如圖3所示。從圖3看出，本發明所采用的制糖工藝流程加入了納濾處理工序。因此，該工 藝路線對傳統制糖工藝的改動較小，推廣應用的難度較低。 [0050] 傳統制糖工藝中，采用多效蒸發将清汁錘度濃縮至60Brix左右，該過程為糖廠的 主要耗能步驟；然而，采用納濾進行預濃縮，可有效減少後續蒸發濃縮的能耗。清汁中蔗糖 純度的提高，能夠增加後續蒸發濃縮工藝中蔗糖的結晶率，減少糖蜜量；根據理論計算，當 清汁純度值增加1%時，蔗糖産量能夠增加1. 5%左右，因此清汁純度的提高對糖廠增收意 義重大。 [0051] 實施例 [0052] 下述實施例中所使用的實驗方法如無特殊說明，均為常規方法。下述實施例中所 用的材料、試劑等，如無特殊說明，均可從商業途徑得到。 [0053] 本發明中，所述"錘度"又稱"白利度"，是指糖汁中可溶性固形物（包括蔗糖和其 他可溶性非糖成分）質量占糖汁總質量的百分比，是蔗糖生産過程中的重要檢測指标。通 常，使用折光計在20°C測定錘度，單位為Brix。 [0054] 所述糖度是指糖汁中的鹿糖的質量百分比，即，糖度=鹿糖質量/糖汁總質 量X100%，單位:wt%。通常采用一次旋光法測定糖度，檢測設備為自動旋光儀。其測試 原理為：利用蔗糖的旋光性質（具有使偏振光平面向右旋轉的性質），其偏轉角度與蔗糖的 濃度成正比，因此，可以用旋光儀測定溶液中蔗糖的濃度。 [0055] 所述純度是指糖汁中的蔗糖質量占可溶性固形物質量的百分比，純度的計算公式 為：純度=蔗糖質量/可溶性固形物質量X100 % =糖度/錘度X100 %，單位:wt%。其中， 所述可溶性固形物是指糖汁中的蔗糖分以及非糖分（除蔗糖、水之外的其他可溶性成分）。 [0056] 如下實施例中，測定錘度所使用的折光錘度計為ATAGORX-5000α折光計；測定 糖度所使用的自動旋光儀為上海申光SGWzz-Ι自動旋光儀。測定時，直接取納濾處理前的 甜菜制糖清汁、納濾透過液以及納濾濃縮液，使用上述儀器進行測定。 [0057] 實施例1 [0058] 膜類型：卷式膜 [0059] 截流分子量：400Da左右，膜面積2. 6m2 [0060] 設備：卷式膜（型号SPPM-25S-1，三達膜環境技術股份有限公司）表2卷式膜設 備運行參數表 [0061] [0062] 表3納濾加工物料參數表 [0063] [0064] 表4物料特性參數表 [0065] [0066] 與納濾處理前的甜菜制糖清汁相比，得到的濃縮清汁錘度提高6.IBrix，糖度提高 5. 6wt%，同時提高純度1. 38個百分點；經計算，納濾可使蒸發負荷降低百分比達37. 9%。 本發明中，所述的"蒸發負荷降低百分比" =[1_(納濾處理之後濃縮液中的水含量+納濾 處理之前清汁中的水含量）]X100 %。 [0067] 實施例2 [0068] 膜類型：卷式膜 [0069] 截流分子量：400Da左右，膜面積2. 6m2 [0070] 設備：卷式膜（型号SPPM-25S-1，三達膜環境技術股份有限公司） [0071] 表5卷式膜設備運行參數表 [0072] [0073] 表6納濾加工物料參數表 [0074] [0075] 表7物料特性參數表 [0076] [0077] 與納濾處理前的甜菜制糖清汁相比，得到的濃縮清汁錘度提高4. 9Brix，糖度提高 4. 55wt%，同時提高純度1. 03個百分點；經計算，納濾可使蒸發負荷降低百分比達34. 3%。